JP2007140056A - 自照型表示装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを光源として用いつつも、薄くしながらも、ＬＥＤの照射角、照射範囲の狭さを克服可能とした自照型表示装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】光源としての半導体発光素子と、透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、を備え、前記光拡散体は、その裏面に、半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の一辺の角度を、適当なものに設定することにより、表示層を効率よく照射した表示装置としてあるいは光を外部に効率よく射出させて照明装置として機能するものを構成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、自照型表示装置及び照明装置に関する。

照明手段として各種のものが照明対象物に応じて用いられている。これらの照明手段の中には現時点での基準でいわゆる小型、軽量、省電力を図ろうとしたものもある。しかしながら、そのような照明手段であっても、ある特定の照明対象物の照明手段としては適当でないことも少なくない。つまり、ある特定の照明対象物の照明手段としては適当な照明手段がない場合も少なくない。

また、照明手段においては例えば電球、蛍光灯等やＬＥＤが光源として用いられている。電球、蛍光灯等は十分な明るさを確保できるものの、消費電力が大きく、これに着目し、逆に小型の小消費電力のものとすれば所要の明るさを確保するのが難しい。また、ＬＥＤには省電力、応答性が良い、携帯性に優れる等の各種の利点があるものの、照射角度が小さいためある特定の照明対象物に対する照明手段としては適さないことも少なくない。

さらに、上記のような状況において、キャラクター商品、ポスター、看板、公告板等の各種の表示を効率よく照明した状態とするものは実際上得られていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、ＬＥＤの利点に着目して、ＬＥＤを照明装置の光源として用いつつも、薄くしながらも、ＬＥＤの照射角、照射範囲の狭さを克服可能とした自照型表示装置及び照明装置を提供することにある。

本発明は、光源としての半導体発光素子と、
透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、
を備えた自照型表示装置であって、
前記光拡散体は、その裏面に、前記半導体発光素子から入射する光によって、前記光拡散体の内部側から照射される表示層を備えると共に、前記裏面に前記半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、
この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の一辺の角度を、前記半導体発光素子から前記光拡散体に入射した光が前記光拡散体の表面の内側で反射して前記光拡散体の裏面の内側に当接し、前記表示層を内側から照射する、角度に設定したことを特徴とするものとして構成される。

本発明は、さらに、光源としての半導体発光素子と、
透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、
を備えた照明装置であって、
前記光拡散体は、その裏面に、前記半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、
この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の各辺の角度を、前記半導体発光素子から前記各辺を通って前記光拡散体に入射する光のうち、前記各辺において所定の角度よりも入射角の小さい光は前記光源収納部の表面から射出し、前記所定の角度よりも入射角の大きい光は前記裏面に向けて反射し、その裏面の内側でさらに反射して前記光拡散体の側面から射出する、角度に設定したことを特徴とするものとして構成される。

さらに、本発明は、光源としての半導体発光素子と、
透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、
を備えた照明装置であって、
前記光拡散体は、表面側に裏面から表面方向に突出する突部を有し、この突部の裏面に、前記半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、
この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の各辺の角度を、前記半導体発光素子から前記各辺を通って前記光拡散体に入射する光は前記突部から前記光拡散体の外部に射出する、角度に設定したことを特徴とするものとして構成されている。

以下に、本発明の実施形態を大きく２つのタイプに分け、それぞれの実施形態を説明する。第１のタイプはキャラクター製品等に応用して好適な実施形態としての自照型表示装置であり、第２のタイプは個人家屋等の階段の足元の照明等に用いて好適な実施形態としての照明装置である。

第１タイプの実施形態
図１及び図２は、第１実施形態を示し、それぞれ平面図及びそのＡ−Ａ線に沿った縦断説明図である。

この第１実施形態の装置は、前面側（表面側）の透明な光拡散体２の裏面（内側面）に形成、描画したキャラクター等の表示層６を、裏面側に設けた光源としての半導体発光素子、例えばＬＥＤ１、からの光を可及的に逃すことなく効率よく用いて、表示層６のキャラクター等を可及的に明るく照らして、その表示層６のキャラクター等を前面側から明確に観察可能に構成したものである。

より詳しくは、図１及び図２からわかるように、この第１実施形態の装置においては、光源としてのＬＥＤ１を光拡散体２の裏側に固定状態に取り付けている。すなわち、この装置は、ＬＥＤ１とほぼ円盤状の光拡散体２とを備える。ＬＥＤ１からの光Ｌを、光拡散体２における円錐溝状の光源収納部３からこの透明な光拡散体２の内部に入射させ、内部で反射（理想的には全反射）させ、内側から表示層６に照射してこれを明るくする。つまり、前記光拡散体２の裏側（内側）に予め描いた表示層（キャラクター等）６がＬＥＤ１からの光Ｌで照らされて、前面側（光拡散体２側）から光った状態で認識できるようにしたものである。

この光拡散体２は、アクリル等の透明材料でほぼ円盤状に構成されたものである。この光拡散体２は、後述のように周辺が薄くなるように、図２に示すように、裏面をほぼ円錐状に傾斜させると共に、裏面に円錐溝状の光源収納部３を形成している。この光源収納部３内にＬＥＤ１を収納状態に固定している。この光源収納部３の大きさ及び円錐状の表面（斜面）３ａの開き角度αは、後で詳しく説明するが、ＬＥＤ１からの光Ｌを効率よく透明な光拡散体２の内部に導き、内部で反射（理想的には全反射）させて、最終的に内側から前記表示層６に当たってそれを照明するような大きさ及び角度に設定されている。

光拡散体２において、この光源収納部３と厚さ方向に向かい合う表面２ａの中央部分には、緩い傾斜の円錐状の窪部４を形成している。これにより、同じく図２からわかるように、この窪部４の大きさとその表面４ａが水平面となす角度βとは、前記光源収納部３の大きさ及び円錐状の表面３ａの角度αとの関係及びその他の諸元との関係で、上記したような表示層６の照明が確実になされるように設定している。

さらに、先に簡単に述べたように、この光拡散体２は、図２からわかるように、その裏側部分が削られて、外周部分に行くに従って厚さが薄くなるような形状としている。つまり、光拡散体２の裏面５は、図２において、水平面から持ち上がった円錐面となっており、裏面５が水平面とある所定の角度γをなすようにしている。この角度γは、上記諸元の１つであり、この面でＬＥＤ１からの光Ｌを効率よく受けて、後述の表示層６をより明るくすることができる角度に設定している。

即ち、この光拡散体２の裏面５には白色の塗料等で形成した薄膜状の表示層６を設けている。この表示層６は、前述のように、ＬＥＤ１から光拡散体２の内部に入射してきた光を効率よく受けるものであり、そこに描かれた各種のキャラクター等は光で明るくされる。つまり、前記ＬＥＤ１からの光Ｌが光拡散体２に入射し、内部で反射して、最終的に前記キャラクター等を内側から照らし、そのキャラクター等が光拡散体２の外部の前面側から光った状態で認識されるようにする。このキャラクター等は、認識させるべき絵や模様等を塗料等の塗装や印刷等の任意の手段で形成可能である。なお、表示層６を、光拡散体２自体をエッチングしたもの、あるいは、光拡散体２自体に一体的に形成されたものであってもよく、これによってもキャラクター等は形成可能である。

このように構成した図１、図２の装置においては、ＬＥＤ１からの光Ｌは光源収納部３の表面３ａから光拡散体２内に屈折しながら入射し、その内部において、窪部４の表面４ａと光拡散体２表面で全反射又はそれに近い反射をし、広がりつつ表示層６を均一に照射する。これにより、表示層６つまりキャラクター等が前記光で効率よく照明されて、前面側から透明な光拡散体２を通して明るく確実に認識される。

本発明者は、この実施形態の装置を製造してその効果を確認済みである。このことは、以下に述べる他の実施形態の装置についても同様である。ちなみに、図２において各寸法は以下の通りとした。即ち、直径Ｄ＝８０ｍｍ、厚さＴ＝１０ｍｍ、角度α＝４５°、β＝１６°、γ＝１５°とした。これらの数値は本実施形態にかかる装置の実施にあたり絶対的なものではなく、これに近い数値であればよいのは当然である。このことは以下に述べる実施形態の装置の場合にあっても同様である。

図３及び図４は、第２実施形態を示し、それぞれ平面図及びそのＢ−Ｂ線に沿った縦断説明図である。この第２実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、光拡散体２Ａの形状を、平面的に矩形とすると共に、これの裏側に形成する光源収納部３Ａを、図３において上下方向に走る長尺状のものとし、さらに図３からわかるように、ＬＥＤ１を複数（ここでは３つ）設けて輝度を改善したところにある。また、当然、光拡散体２Ａの裏側に形成した表示層６Ａも、平面的には矩形状のものとして構成されている。これらのことから、図４は図２と同一形状のものとして表される。図３、図４において、図１、図２と同等の要素には同一の符号を付してくわしい説明は省略する。

この第２実施形態における各ＬＥＤ１，１，１からの光Ｌの平面的な光路は図３に明記したとおりである。これらの光Ｌによって表示層６Ａはその全体がまんべんなく照明され、その内側に形成された表示層６Ａのキャラクター等が光Ｌに効率よく照らされることになる。

本発明者が製造したこの実施形態の装置において各寸法は以下の通りとした。即ち、図４において、幅Ｗ＝８０ｍｍ、厚さＴ＝１０ｍｍ、角度α＝４５°、β＝１６°、γ＝１５°とした。

図５は第３実施形態を示す。この第３実施形態は、第１実施形態、第２実施形態における光拡散体２、２Ａを変形例である。第３の実施形態の第１、第２実施形態と異なるところは、先ず光拡散体２Ｂの形状にある。光拡散体２Ｂの断面形状を、単純な矩形とし、厚さを均一とし、さらに、図中両側の側面９、９には、光Ｌの反射のための白色等の反射層１０，１０を形成している。この光拡散体２Ｂの平面形状は、図１のように、あるいは、図３のように、構成される。このような光拡散体２Ｂに対して、表示層６Ｂは、光拡散体２Ｂの裏面５の全体に連続した１枚の層として形成するのではなく、例えば、白色材料の塗装や印刷等によって不連続（有り無し）の模様等として形成される。なお、表示層６Ｂは、上記のような白色等の塗料を施すのではなく、光拡散体２Ｂにエッチング等によって、傷をつけたり溝を掘ったりしたものとして構成することもできる。

この第３実施形態におけるＬＥＤ１からの光Ｌの光拡散体２Ｂ中における光路は図５に示したとおりである。光Ｌは光拡散体２Ｂ中でこのような光路を通ることから、光拡散体２Ｂが円形であっても矩形であっても、その裏面における表示層６Ｂが明るく照射され、前面側から表示層６Ｂによるキャラクター等を認識できるようになる。

本発明者が製造したこの実施形態の装置において各寸法は以下の通りとした。即ち、図５において、直径Ｄ（幅Ｗ）＝８０ｍｍ、厚さＴ＝５ｍｍ、角度α＝４５°、β＝１６°とした。

以上に説明した各実施形態において、光拡散体の前面（表面）に各種構成の光拡散層（板）を設け、ＬＥＤ１には放熱板を取り付けることができるのは当然である。これは、以下に説明する第２タイプの実施形態においても同様である。このような光拡散層（板）としては、例えば、乳白色の半透明な板、フレネルレンズのような平面レンズ、やや薄型の通常レンズ、あるいは、細い線状の山と谷を繰り返して光を散乱させる散乱板等の各種のものを用いることができる。

第２タイプの実施形態
このタイプの実施形態は、光源としてのＬＥＤからの光を、光拡散体で広がりをもたせて射出されるようにして、装置を小型の照明器具として使用可能とした例を示す。具体的には、ＬＥＤからの光が、光拡散体へ入射し、反射することなく射出する光と、光拡散体へ入射した後に内部で１回あるいは複数回反射した後に射出する光とを協同させることにより、装置全体（特に光拡散体）を薄いものとしつつも、広い範囲を照射可能に構成したものである。あるいは、光拡散体の幾何学形状の各種の諸元を適当なものとすることにより、ＬＥＤからの光を光拡散体内に入射させ、反射させることなく射出して、その射出の角度を照射範囲が広くなるようにしたものである。

図６Ａ，Ｂは、本発明の実施形態の装置を実際に作って、個人住宅における階段を照射する実験を行った結果の説明図である。この図６Ａ，Ｂは、説明図であるので、これらの図においては、階段や本実施形態の装置の大きさ等の寸法関係を必ずしも正確に表現してはいない。図６Ａからわかるように、この実施形態の装置Ｄは、各ステップの裏側に下向きに取り付けられる。つまり、この図６Ａ，Ｂにおいて、あるステップＳ１の足元を照らすに当たり、その１段上のステップＳ２の裏側に本実施形態の装置Ｄを下向きに取り付けて光Ｌ１．Ｌ２が下向きに照射されるようにした。この図６Ａ，Ｂにおいて、階段として、ステップＳ１，Ｓ２同士の高さＨ＝２０−２５ｃｍ程度、奥行Ｄｅ＝２０−２５ｃｍ程度、各ステップＳ１，Ｓ２の横幅は９０ｃｍ程度の階段を対象とした。この図６Ａ，Ｂからわかるように、装置Ｄからの光が十分に横方向に広がって、１つ下のステップＳ１を十分な幅で照射した。このことから、本実施形態の装置Ｄは階段の照明器具としての要求を満たしているのがわかった。また、光量も、光源としてのＬＥＤからの光を、屈折と全反射等を用いて、可及的に逃すことなく有効に照明用の光として使用するようにしているので、十分なものとして得られた。

図７は、図６Ａ，Ｂで用いた装置の一例を示す本発明の第４実施形態を示す。
この実施形態における光拡散体２Ｃは、例えば、図１、図２の第１実施形態と同様に、全体としての平面形状が、つまり、光拡散体２Ｃの平面形状が円形のものとして構成されている。あるいは、図３、図４の第３実施形態と同様に、光拡散体２Ｃの平面形状が矩形に形成され、１つあるいは複数のＬＥＤ１が用いられる。

この第４実施形態が、第１あるいは第２実施形態と異なる点は、光拡散体２Ｃの縦断面形状にある。即ち、図７からわかるように、光拡散体２Ｃは、縦断面がほぼ逆台形となっている。図７における光拡散体２Ｃの厚Ｔさ、下面２Ｃ１の直径Ｄ１（幅Ｗ１）、上面２Ｃ２の直径Ｄ２（幅Ｗ２）、側面２Ｃ３と水平面との角度Δ、光源収納部３（３Ａ）の大きさ及び角度α等の各諸元は、ＬＥＤ１からの光Ｌ１、Ｌ２が図７に示すごとく走るように設定されている。即ち、ＬＥＤ１からの光Ｌ１、Ｌ２が光源収納部３（３Ａ）の表面３ａから光拡散体２Ｃに入射する。入射した光のうち、下面２Ｃ１における、２つの点（臨界点）ｐ１，ｐ１間の幅Ｗ３内に当たる光Ｌ１は下面２Ｃ１より射出し、直径Ｄ３（幅Ｗ３）より外側に当たる光Ｌ２は下面２Ｃ１で理想的に全反射した後上面２Ｃ２で再び理想的に全反射し、側面２Ｃ３から射出する。つまり、点ｐ１，ｐ１は全反射の臨界点である。つまり、これらの点ｐ１，ｐ１に入射した光は光Ｌ１（Ｃ）となって屈折、射出するか、その点ｐ１で反射して上面２Ｃ２に向かい、そこで反射して再び下面２Ｃ１側に向かい、下面２Ｃ１の端の点ｐ２にちょうど向かう。光拡散体２Ｃは、上述のように、ＬＥＤ１からの光が上述のごとく走るように諸元が決められている。

このようにして、階段の下のステップＳ１は、２種類の光Ｌ１、Ｌ２によって、十分な幅をもって照明されることになる。つまり、図７からわかるように、下のステップＳ１は、内部で反射することなく射出する光Ｌ１と、内部で反射した後に射出する光Ｌ２とで、照明されることとなる。ＬＥＤ１からの光は、光Ｌ１、Ｌ２のうちのいずれかとなるが、その臨界光線は、上述のように、光Ｌ１（Ｃ）として図７に示している。

なお、この実施形態において、ＬＥＤ１からの光の一部を下面２Ｃ１、上面２Ｃ２において全反射させているが、必ずしも全反射でなくてもかまわない。これは、他の各実施形態においても同様である。

本発明者が製造したこの実施形態の装置において各寸法は以下の通りとした。即ち、図７において、直径Ｄ２（幅Ｗ２）＝４０ｍｍ、厚さＴ＝５ｍｍ、角度α＝４５°、Δ＝４５°とした。

図８は第５実施形態を示す。この第５実施形態は、図７の第４実施形態の変形例である。この図８からわかるように、側面２Ｃ３１を平面ではなく、湾曲面としている。これにより、光拡散体２Ｃの側面２Ｃ３１から射出する光をより均一で滑らかな配光とすることができる。さらに、光源収納部３１（３Ａ１）の先端Ｔを丸みの帯びたものとしている。これにより、この先端Ｔ部分から射出して下面２Ｃ１に向かった光Ｌ１のこの下面２Ｃ１の内側での反射を抑えて、より明るく照明可能とできる。

本発明者が製造したこの実施形態の装置において各寸法は以下の通りとした。即ち、図８において、直径Ｄ２（幅Ｗ２）＝４０ｍｍ、厚さＴ＝５ｍｍ、角度α＝４５°、Δ＝４５°とした。

図９は第６実施形態を示す。この実施形態は装置全体の小型化を可能としつつも、上記の各実施形態と同様に照明を行うことができるようにしたものである。この小型化を達成するため、この実施形態６では、ＬＥＤ１からの光が光拡散体２Ｄに入射し、反射することなく射出するように、形状とそれらの各諸元を決めている。この光拡散体２Ｄの平面形状も、例えば図１のように円形に、あるいは、図３のような矩形にすることもできる。

より詳しくは、基板Ｓ上のＬＥＤ１を、光拡散体２Ｄの光源収納部３Ｂに収納している。この光拡散体２Ｄにおいて、光源収納部３Ｂと対向する前面側に、突部２１を形成している。この突部２１に前記光源収納部３Ｂが形成されている。この光源収納部３における表面３ａから突部２１に入射したＬＥＤ１からの光は、図示のごとくに突部２１の側面２１ａと端面２１ｂから屈折した光Ｌ１となって射出する。

この第６実施形態の装置は、例えば透光性の板にキャラクター等の表示を形成しておき、その板をこの第６実施形態の装置で後ろから照明して、このキャラクター等を明るくする等の使い方も可能である。

本発明者が製造したこの実施形態の装置において各寸法は以下の通りとした。即ち、図９において、直径Ｄ１（幅Ｗ２）＝２７ｍｍ、Ｄ２（幅Ｗ２）＝１０ｍｍ、厚さＴ１＝８ｍｍ、Ｔ２＝５ｍｍ、角度α＝４５°とした。

本発明の第１実施形態の平面図。 その縦断面図。 本発明の第２実施形態の平面図。 その縦断面図。 本発明の第３実施形態の縦断面図。 本発明の第４実施形態の使用状態を示す側面図、縦断面図。 本発明の第４実施形態の縦断面図。 本発明の第５実施形態の縦断面図。 本発明の第６実施形態の縦断面図。

Claims (12)

1. 光源としての半導体発光素子と、
   透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、
   を備えた自照型表示装置であって、
   前記光拡散体は、その裏面に、前記半導体発光素子から入射する光によって、前記光拡散体の内部側から照射される表示層を備えると共に、前記裏面に前記半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、
   この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の一辺の角度を、前記半導体発光素子から前記光拡散体に入射した光が前記光拡散体の表面の内側で反射して前記光拡散体の裏面の内側に当接し、前記表示層を内側から照射する、角度に設定したことを特徴とする自照型表示装置。
2. 前記光拡散体はほぼ円盤状のものとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自照型表示装置。
3. 前記光源収納部は、円錐状の溝として構成され、前記斜面はこの円錐状の溝によって構成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の自照型表示装置。
4. 前記光拡散体はほぼ矩形盤状のものとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自照型表示装置。
5. 前記光源収納部は、ほぼＶ字状の溝として構成され、このＶ字状の溝をなす面によって前記斜面が構成されていることを特徴とする請求項１又は４に記載の自照型表示装置。
6. 光源としての半導体発光素子と、
   透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、
   を備えた照明装置であって、
   前記光拡散体は、その裏面に、前記半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、
   この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の各辺の角度を、前記半導体発光素子から前記各辺を通って前記光拡散体に入射する光のうち、前記各辺において所定の角度よりも入射角の小さい光は前記光源収納部の表面から射出し、前記所定の角度よりも入射角の大きい光は前記裏面に向けて反射し、その裏面の内側でさらに反射して前記光拡散体の側面から射出する、角度に設定したことを特徴とする照明装置。
7. 前記光拡散体はほぼ円盤状のものとして構成されていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 前記光源収納部は、円錐状の溝として構成され、前記斜面はこの円錐状の溝によって構成されたものであることを特徴とする請求項６又は７に記載の照明装置。
9. 前記光拡散体はほぼ矩形盤状のものとして構成されていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
10. 前記光源収納部は、ほぼＶ字状の溝として構成され、このＶ字状の溝をなす面によって前記斜面が構成されていることを特徴とする請求項６又は９に記載の照明装置。
11. 前記側面は、縦断面において、裏面側よりも表面側が狭くなるように傾斜したものとして構成されていることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれかに記載の照明装置。
12. 光源としての半導体発光素子と、
    透明な材料で構成され、前記半導体発光素子を収納する、光拡散体と、
    を備えた照明装置であって、
    前記光拡散体は、表面側に裏面から表面方向に突出する突部を有し、この突部の裏面に、前記半導体発光素子を収納する縦断面がほぼ楔形の光源収納部が凹成され、
    この光源収納部における前記縦断面での前記楔形の各辺の角度を、前記半導体発光素子から前記各辺を通って前記光拡散体に入射する光は前記突部から前記光拡散体の外部に射出する、角度に設定したことを特徴とする照明装置。

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